文件系统和磁盘工作原理

Posted 2023-03-16

参考技术A Linux 文件系统为每个文件都分配两个数据结构，索引节点和目录项。它们主要用来记录文件的元信息和目录结构。

目录项、索引节点、逻辑块以及超级块，构成了 Linux 文件系统的四大基本要素。
不过，为了支持各种不同的文件系统，Linux 内核在用户进程和文件系统的中间，又引入了一个抽象层，也就是虚拟文件系统 VFS（Virtual File System）。

这些文件系统，要先挂载到 VFS 目录树中的某个子目录（称为挂载点），然后才能访问其中的文件。

机械磁盘的最小读写单位是扇区，一般大小为 512 字节。如果每次都读写 512 字节这么小的单位的话，效率很低。所以，文件系统会把连续的扇区或页，组成逻辑块，然后以逻辑块作为最小单元来管理数据。常见的逻辑块的大小是 4KB。

在 Linux 中，磁盘实际上是作为一个块设备来管理的。虚拟文件系统 VFS 类似，为了减小不同块设备的差异带来的影响，Linux 通过一个统一的通用块层，来管理各种不同的块设备。

通用块层，其实是处在文件系统和磁盘驱动中间的一个块设备抽象层：

可以把 Linux 存储系统的 I/O 栈，由上到下分为三个层次，分别是文件系统层、通用块层和设备层。这三个 I/O 层的关系如下图所示：

根据这张 I/O 栈的全景图，可以更清楚地理解，存储系统 I/O 的工作原理：

存储系统的 I/O ，通常是整个系统中最慢的一环；所以， Linux 通过多种缓存机制来优化 I/O 效率。比如说：
为了优化文件访问的性能，会使用页缓存、索引节点缓存、目录项缓存等多种缓存机制，以减少对下层块设备的直接调用。
同样，为了优化块设备的访问效率，会使用缓冲区，来缓存块设备的数据。